光子晶体点缺陷在入射光激励下的响应特性研究-论文.pdf

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1、第35卷第2期淮北师范大学学报(自然科学版)V01．35N0．22014年6月JournalofHuaibeiNormalUniversity(NaturalScience)Jun．2014光子晶体点缺陷在入射光激励下的响应特性研究赵年顺，孙剑(黄山学院机电与信息工程学院，安徽黄山245041)摘要：研究了光子晶体点缺陷在入射光激励下的响应特性，通过理论分析可以获得点缺陷的透射谱．分析发现，非线性点缺陷的缺陷模在入射光的激励下发生动态移动，且满足两个特征：首先，入射光功率强度越大，缺陷模移动幅度越大．其次，整个缺陷模的透射率随着功率强度的增大而

2、降低．采用泵浦一探测技术的数值模拟方法可获得非线性点缺陷的动态特征．泵浦光和探测光可以选择不同频率以使缺陷模的特征比较清晰．所得现象与理论分析结果一致．该结论为该类光子晶体的应用提供理论依据．关键词：光学器件；泵浦探测；光子晶体；动态移动；点缺陷中图分类号：TN252文献标识码：A文章编号：2095—0691(2014)02—0033—051引言光子晶体n是一种介电常数周期性调制的人工晶体结构，它存在类似于半导体的能量禁带，频率处在禁带范围内的光不能透射出去．基于光子晶体可以设计各种光学器件，如慢光器件、通道下载滤波器．通过有意破坏周期性引入点

3、缺陷b，原本处在能量禁带中的某些特定频率的光便可以经过点缺陷透射，该透射谱可称为缺陷模．点缺陷具有很强的局域光子的能力，这一独特功能使它在很多方面都有广阔的应用前景，如低损耗波导、激光器。。等．特别地，当在缺陷区域引入非线性时，更多功能强大的光学器件能被制造出来，如全光开关n¨以及全光二极管n等．众所周知，非线性光子晶体点缺陷的透射谱即缺陷模在入射光的激励下会发生移动，但这种动态移动的细节还未被研究．原因是缺陷模的移动特性受多种因素的影响，而通常选择连续波(CW)的探测方式，根据探测结果只能知道对应频率的透射特性，很难获得缺陷模整体的变化特征．

4、此外，若选择入射光源的频率不合适，则入射光不能很好地耦合进点缺陷，就探测不到参数．文中首先从理论上分析了非线性缺陷模在入射光激励下的变化特征．从理论推导中获得了透射率的变化曲线并分析其特征．其次，采用泵浦一探测技术的数值模拟方法分析并验证非线性点缺陷的动态移动特征．所选泵浦光和探测光均为脉冲的形式，探测光选择线宽较宽的脉冲以便获得缺陷模整体的变化特征，此外泵浦光和探测光应选择不同的频率以避免给探测带来困难．进一步地，增大泵浦脉冲的功率强度并从数值模拟结果中总结缺陷模移动的特点和规律，最终揭示了缺陷模的动态移动过程．2物理模型及线性透射谱光子晶体

5、结构如图1所示，该光子晶体是由折射率为no=3．4，半径为R=0．2a的介质棒组成的(7~7)四方晶格结构，其中a=lm是晶格常数．背景为空气，折射率为n=1．将中间介质棒(灰色)的半径减小到O．1形成点缺陷并在缺陷处引入非线性，那么缺陷区域的折射率与该缺陷区域的电场能量有关，满足式子(E)：n。,-[-n2E2其中n2=O．O1txm2／W为非线性系数，当入射光能量变化时，由于材料折射率的变化，缺陷收稿日期：2014—03—12基金项目：安徽省教育厅自然科学研究项目(KJ2009B137)；黄山学院校级科研项目(2007xkjq010)作者简

6、介：赵年顺(1981一)，男，安徽黄山人，硕士，助教，研究方向：光学器件、光子晶体材料．34淮北师范大学学报(自然科学版)2014年模的位置会发生移动．数值模拟时只在点缺陷处引入克尔非线性的原因是为了简化计算，考虑到原本处于光子晶体禁带中的电磁波通过点缺陷传播，光能量主要集中在缺陷区域，仿真所得结果非常接近于真实器件的特性．1”no+／*／2E纠lI．iij-．1：●●●l●●●●II蓊)．．-_磊I●·●·●·l、●．●·●·●·：—1●●●●●●●：zti●●●●●●●!由I：●：；●f●一一●一一●一●一一●I一图1光子晶体点缺陷结构数值

7、模拟计算得到该光子晶体只存在TM模(磁场平行于介质棒)的能量禁带，它的第一禁带宽度为0．28(2~c／a)～0．44(27rc／a)，其中C指真空中的光速．对应半径为O．1口缺陷的线性透射谱在图2中给出，由图可以看到缺陷模的谐振频率。在0．331(2'rrc／a)，测得线宽的一半即半高宽y=7．31x10(2~rc／a)．褂摇1归一化频~l(2"rrc／a)图2光子晶体点缺陷结构的线性透射谱3缺陷模动态响应特性的理论分析在连续波(cw)的激励下，缺陷模发生移动，且这种移动是在起始点和最终位置来回动态移动，移动的幅度由入射光的功率强度决定．因此，

8、所探测的透射率实际上是瞬时值在一个振荡周期内的时间平均．首先，由理论推导可得非线性点缺陷透射谱的解析式．缺陷模具有洛伦兹线型，则线型透射谱可用公式描述